双酚A（BPA）在基于生物质的活性炭（ACs）上的快速吸附动力学：吸附机制及其经济优势

《Sustainable Materials and Technologies》：Fast kinetics of BPA adsorption onto biomass based activated carbons (ACs): Mechanism of adsorption and economic advantage

非洲西瓜壳经磷酸活化及热处理制备高孔隙活性炭，比表面积1455-1645 m2/g，对BPA吸附容量238.02-268.92 mg/g，吸附动力学快（10分钟达90%），成本效益比商业活性炭高8倍。

　　

Adejumoke A. Inyinbor|Emerson Vega-Ramírez|Jessica Chaparro-Garnica|Diego Cazorla-Amoros

物理科学系，Landmark大学，P.M.B 1001，奥穆阿兰，尼日利亚

摘要

非洲甜瓜废弃物作为一种可持续材料，被用于制备高孔隙度的活性炭（ACs）。这些活性炭是通过H₃PO₄活化处理并经过不同的热处理方法制备的。制备出的活性炭经过表征后，被用于吸附双酚A（BPA）。通过可扩展性和时间依赖性的成本效益分析，验证了这些自制活性炭相对于商用活性炭（CAC）的经济优势。在-196°C下使用N₂吸附等温线进行的孔隙度分析显示，其比表面积在1455至1645 m²/g之间。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，含磷的功能基团已成功固定在活性炭表面。XRD分析结果显示这些活性炭为非晶态材料。pH值的变化对BPA的去除率有轻微影响，在pH 2到8之间去除率基本稳定，而在pH 10时去除率下降。活性炭的负载量和温度对BPA的去除率有正面影响。当负载量为0.04 g/L时，总BPA去除率最高，其中未经粉碎的甜瓜废弃物（UMW）经H₃PO₄处理并在450°C下活化（UMW-450°C）后，BPA去除率达到99.94%。BPA在活性炭上的吸附动力学非常迅速，大约90%的吸附量在最初十分钟内完成。相比之下，商用活性炭（CAC）的吸附动力学较慢，达到平衡所需时间长两个数量级以上。Langmuir吸附等温线最佳拟合了活性炭和CAC上的BPA吸附数据。自制活性炭的最大单层吸附容量（q_max）在238.02至268.92 mg/g之间，而CAC为90.11 mg/g。可扩展性分析表明，处理500升废水只需40.18克活性炭，而CAC则需要172.79克。时间依赖性的成本效益分析显示，自制活性炭的成本效益是CAC的约八倍。因此，自制活性炭可以作为廉价且可持续的吸附剂，适用于BPA相关的工业应用。

引言

有害的双酚A（BPA）被归类为内分泌干扰化学物质（EDCs）。[1]的偶然发现表明BPA能够促进某种乳腺癌细胞的增殖。BPA还会改变或干扰人体激素系统，并导致DNA损伤[2]。人类接触BPA可能导致甲状腺和生殖功能障碍、胰岛素抵抗以及糖尿病。此外，BPA还会影响血液系统，导致血压升高和血液学异常[3]。不幸的是，BPA在食品和多种环境样本中都有检出[4], [5], [6], [7], [8]]。

BPA在上述样本中的存在可能有多种途径。BPA是制造各种聚碳酸酯基塑料的主要前体，包括饮料容器、玩具、汽车零件、光盘、抗冲击安全设备以及塑料餐具。因此，人们非常关注塑料中BPA的渗出问题。为了控制BPA带来的风险，欧盟（EU）对用于制造与食品接触的塑料及婴儿喂养用品的BPA使用实施了各种限制和规定[2]。然而，统计数据显示，澳大利亚污水处理厂中的BPA主要来自点源排放[9]。

工业过程中通过含BPA的废水排放，对人类构成了更大的威胁。这些废水可能排入水体或陆地，进而渗透到土壤和植被中（图1）。这种排放可能是由于废水处理技术不完善、环境保护法律不严格或经济条件较差所致。因此，高效且经济的废水处理技术是解决这一问题的关键。虽然已有反渗透、化学沉淀、离子交换、膜过滤、电化学氧化等多种废水处理技术，但吸附技术因其独特的优势而受到青睐[10], [11], [12]。吸附技术结合了高效性和操作简便性[13]。然而，由于商用活性炭的成本较高，吸附过程可能较为昂贵。因此，使用低成本材料（如生物质残渣）制备的活性炭可以降低成本[14]。从生物质制备的活性炭的特性很大程度上取决于处理方法以及前体的物理和化学性质[15,16]。一般来说，不同来源的生物质残渣是优质的碳源，可制成优质的活性炭[16,17]。据报道，用碱氢氧化物处理生物质残渣可制备出比表面积优异的活性炭[18]。然而，使用强化学物质（如KOH、HCl和ZnCl₂）进行活化会带来环境风险[19]。在各种活化剂中，H₃PO₄是最常用的木质纤维素生物质活化剂，因为它对环境的危害较小，易于用水清洗回收，可重复使用，产生的腐蚀较少，并且能产生不同的孔隙结构和表面化学性质[16,20]。

Citrullus colocynthis L.（非洲甜瓜）的种子外壳含有71.8%的纤维素、23.0%的半纤维素和0.29%的木质素[21]。这些特性使得Citrullus colocynthis L.（非洲甜瓜）种子外壳非常适合用于制备活性炭。此外，尼日利亚大量生产Citrullus colocynthis L.，加上其种子外壳的处理难题，使得其在本研究中的应用具有吸引力。因此，本文首次报道了使用非洲甜瓜外壳制备活性炭的方法。本研究探讨了非洲甜瓜外壳的可持续性和经济优势。我们充分利用了非洲甜瓜种子外壳中高纤维素纤维的特性，结合独特的H₃PO₄方法，制备出了性能优异的活性炭。非洲甜瓜废弃物的活化过程包括用H₃PO₄浸渍，随后进行不同的热处理（450°C和900°C），并在氮气流中活化，从而在活性炭表面引入了磷基团。孔隙度通过氮气吸附-解吸等温线技术确定。这些新型活性炭首次在水介质中测试了对有害BPA的吸附性能，并在不同吸附操作参数下进行了研究。XPS分析和扩散研究确定了可能的BPA吸附机制。此外，还首次进行了时间依赖性的成本效益分析和可扩展性研究，以验证自制活性炭相对于CAC的经济优势。本研究的创新之处在于材料本身的独特性、首次应用于特定污染物、在效率和持续时间上的优越表现，以及新颖的成本效益评估方法。

非洲甜瓜废弃物的预处理

从尼日利亚奥穆阿兰（8^o 8′ 18.852” N和5^o 6′9.36 E）的当地甜瓜加工厂收集了原始甜瓜种子废弃物。这些原始材料在运输到西班牙之前，先在流动水中彻底清洗，然后在低温下烘干。随后用低浓度的H₂SO₄水溶液在搅拌条件下浸泡24小时以去除无机物质，再用水冲洗至中性，最后烘干。

多孔结构、表面化学性质和结晶度分析

图2展示了由非洲甜瓜废弃物制备的活性炭的N₂吸附-解吸等温线和孔径分布。图中还包含了用于水处理的商用活性炭AquaSorb F23（Jacobi Carbons，法国）的等温线，以作对比。所有等温线都显示出在低相对压力下的高N₂吸附容量，这是微孔固体的特征。

结论

通过H₃PO₄活化处理的非洲甜瓜废弃物制成的活性炭具有适合污染物吸附的特性。四种活性炭的BET比表面积在1455 m²/g至1645 m²/g之间，其中在450°C下热处理的活性炭比在900°C下热处理的活性炭具有更高的比表面积。表面化学分析证实了磷基团固定在生物质表面的情况，而XRD分析显示这些活性炭为非晶态。

CRediT作者贡献声明

Adejumoke A. Inyinbor：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究实施、资金获取、数据管理、概念构思。Emerson Vega-Ramírez：撰写——审稿与编辑、数据可视化、数据管理。Jessica Chaparro-Garnica：撰写——审稿与编辑、数据可视化、结果验证、指导。Diego Cazorla-Amoros：撰写——审稿与编辑、指导、方法设计、资金获取、概念构思。

未引用参考文献

[77], [78], [79], [80]

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Adejumoke Inyinbor博士表示，她获得了阿利坎特大学国际关系与发展合作副校长以及瓦伦西亚政府参与、透明、合作与民主质量部的财政支持和差旅资助。Diego Cazorla-Amoros教授表示...

致谢

Adejumoke Inyinbor衷心感谢阿利坎特大学国际关系与发展合作副校长，以及瓦伦西亚政府参与、透明、合作与民主质量部的支持，为她提供了前往阿利坎特大学的两次资助。

Adejumoke Inyinbor还感谢Landmark大学的校长和管理层允许她参与这项研究。